ABSTRACT 1 INTRODUÇÃO

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1 Comparação da análise do teor de umidade no café torrado e moído por titulação Karl Fischer e método de secagem em estufa Carolina Passos da Cunha 1,2 (*) Raquel Duarte da C. C. Bandeira 1,2 Thais Matsue Uekane 1,2 Valnei Smarçado Cunha 1 Luths Raquel de Oliveira Geaquinto 1,2 Janaína M. Rodigues Caixeiro 1,2 RESUMO Comparação da análise do teor de umidade no café torrado e moído por titulação Karl Fischer e método de secagem em estufa.o café torrado é um importante produto para a economia brasileira, o teor de água influencia sua qualidade. A titulação Karl Fischer Coulométrica (KF) é rápida e eficiente. O objetivo deste estudo foi desenvolver um método para análise de teor de água no café torrado por KF e comparar com os resultados obtidos pelo método de secagem em estufa. Estes resultados foram avaliados estatisticamente usando o teste de correlação de Pearson. O método de KF pode substituir o método de secagem em estufa sem comprometimento dos resultados e o seu alto custo que pode ser compensado pelo alto número de análises realizadas num curto prazo, já que cada análise leva em média 7,5 minutos. Palavras-chave: umidade, café, Titulação Karl Fischer Coulumétrica. 1Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial INMETRO Diretoria de Metrologia Científica e Industrial DIMCI Divisão de Metrologia Química DQUIM 2 Laboratório de Análise Orgânica LABOR Av. Nossa Senhora das Graças, 50- Xerém - Duque de Caxias - Rio de Janeiro. Cep.: (*) rdbandeira@inmetro.gov.br

2 Comparação da análise do teor de umidade no café torrado... ABSTRACT Comparative analysis of the water content in roasted and ground Coffee by Karl Fischer Titration and drying oven method. Coffee is an important product for Brazilian economy, its water content is critical to its quality. Columetric Karl Fischer titration technique (KF) has been used due to the selective reaction. Therefore the objective of this study was to develop a method for determining the water content in roasted coffee by KF and compare to the drying method. These results were evaluated by Perason s chi-square test. The KF method can replace the drying method without compromising the results, despite of its high cost that can be compensated by the number of analysis performed, since each analysis takes about 7.5 minutes. Keywords: water content, coffee, Coulometric Karl Fischer Titration. 1 INTRODUÇÃO O café é um dos produtos mais comercializados no mundo, estando em segundo lugar na balança comercial, perdendo apenas para o petróleo. Cada vez mais o café brasileiro ganha espaço no mercado mundial. Segundo a Associação Brasileira da Indústria de Café, ABIC, o Brasil é o maior produtor e exportador mundial de café. A exportação de café torrado e moído brasileiro aumentou em 2008 (ABIC, 2009). O consumo de café vem crescendo a cada ano e com ele a exigência por padrões e controle de qualidade que deve ser realizado de maneira mais rápida, eficiente e confiável. O alto teor de água é um fator que influencia na qualidade do café, pois facilita a atividade de microorganismos e enzimas, afetando a preservação do produto e alterando suas características, como aroma e sabor (MORGANO et al, 2008). De acordo com a portaria n 377, de 26 de abril de 1999 estabelecida pela Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA), (ANVISA, 2009) o café torrado e moído tem como limite máximo permitido de 5,0 % de teor de água. Existem diversos métodos diretos para a determinação do teor de água em alimentos. Os métodos físicos, por exemplo, determinam a quantidade de água pela perda de massa, como é o caso dos métodos de perda por dessecação do Instituto Adolf Lutz (ZENEBON et al, 2008) mais comumente chamado na literatura de método de secagem em estufa, e o de secagem em estufa à vácuo da AOAC (MARTIN, 2005). Ou os métodos químicos, estes se baseiam em reação específica da água, como exemplo, a titulação Karl Fischer. Algumas técnicas combinam os métodos físicos e químicos (ISENGARD, 2001; MORGANO et al, 2008), como é o caso da titulação Karl Fischer Coulométrica, que combina a reação específica da água com à secagem em forno. A água ligada fracamente ao substrato é chamada de água livre, ela facilita o crescimento de 8

3 CUNHA, C. P. da; et al. microorganismos. A água combinada está ligada fortemente ao substrato não permitindo tal crescimento (MORGANO et al, 2008; RÜCKOLD et al, 2000). Desta forma, um método ideal para a determinação do teor de umidade é aquele que quantifica apenas a água livre. Para análises de teor de água em alimentos em geral, métodos de secagem em estufa ainda são os mais utilizados por utilizarem materiais comumente encontrados em laboratórios de análises químicas. Contudo estes métodos são muito demorados e pouco específicos para a água, pois a análise se baseia na perda de massa, com isso substâncias voláteis contidas na amostra ou produzidas pelo aquecimento são quantificadas como água (ISENGARD; FÄRBER, 1999; ISENGARD, 2001; MORGANO et al, 2008). A técnica de titulação Karl Fischer vem sendo utilizada mundialmente para a determinação do teor de água nas mais diversas matrizes. A crescente demanda é explicada pela rapidez e especificidade da análise. Consiste num método químico e direto baseado na titulação da água pelo reagente Karl Fischer gerando iodeto (BRUTTEL; SCHLINK, 2003). O reagente Karl Fischer reage quase que exclusivamente com a água, no entanto existem algumas substâncias que podem sofrer reações paralelas com o reagente Karl Fischer. Existem duas técnicas de titulação Karl Fischer: a Volumétrica e a Coulométrica. Na primeira um volume do reagente Karl Fischer é usado para titular a água presente na amostra a ser analisada, sendo importante realizar o título deste reagente. Na técnica Coulométrica uma corrente gera uma quantidade estequiométrica de iodo, o qual é utilizado na reação para quantificação do teor de água (BRUTTEL; SCHLINK, 2003). A técnica Coulométrica permite que a análise do teor de água seja realizada de duas formas, por injeção direta, neste caso a amostra a ser analisada é injetada diretamente no vaso titulador ou por secagem em forno, a amostra a ser analisada é aquecida em forno, onde ocorre a evaporação da água contida na amostra e utilizando gás nitrogênio como gás de arraste, a água é carreada até o vaso titulador, onde esta é titulada. Amostras que liberam água lentamente ou a temperaturas elevadas, que sejam insolúveis ou que possuam substâncias que reajam paralelamente com o reagente Karl Fischer podem ser analisadas combinando o Karl Fischer Coulométrico à secagem em forno, mas é preciso assegurar que essas substâncias não sejam voláteis a temperatura de análise (BRUTTEL; SCHLINK, 2003). Desta forma, o café por não ser solúvel no reagente Karl Fischer se enquadra neste processo. 9

4 Comparação da análise do teor de umidade no café torrado... Objetivando uma técnica mais prática e eficiente iniciou-se estudo para otimização de método de determinação do teor de água no café torrado e moído pela técnica de titulação Karl Fischer Coulométrica combinada à secagem em forno e comparação com o método de secagem em estufa por se tratar de um método estabelecido na literatura e recomendado pela Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA). 2 MATERIAL E MÉTODOS 2.1. SECAGEM EM ESTUFA Para determinação do teor de água no café foi realizada uma adaptação do método de perda por dessecação em estufa do Instituto Adolfo Lutz. Inicialmente foi realizado um ensaio preliminar pesando 2,0 g de café homogeneizado, em frasco de vidro previamente seco e tarado,os frascos foram deixados em estufa com controle de temperatura, modelo ND (Nova Ética) a 105 C por três horas e trinta minutos, em seguida, resfriados em dessecador e pesados, esta operação foi repetida até se obter peso constante. Desta forma investigou-se o tempo suficiente para alcançar o peso constante, este tempo foi utilizado em todas as análises. A análise foi realizada em quintuplicata. O resultado foi expresso segundo a equação 1: (M m ) %umidade=100 [ Ma 100] (1) Onde, M = Massa do frasco de vidro e café secos; m = Massa do frasco de vidro; Ma = Massa de café TITULAÇÃO KARL FISCHER COULOMÉTRICA Para a determinação do teor de água pela técnica de titulação Karl Fischer Coulométrica sem diafragma, combinado à secagem em forno, foi utilizado um titulador automático modelo 831 KF Coulometer (Metrohm), acoplado a forno 774 Oven Sample Processor (Metrohm) e software Tiamo 1.2. Os parâmetros de titulação utilizados foram: Corrente geradora 400 ma, ponto final de 50 mv. 10

5 CUNHA, C. P. da; et al. Foram otimizadas as condições de análise da titulação Karl Fischer Coulométrica combinado à secagem em forno. Os parâmetros testados foram massa de café (0,50; 0,10; 0,05 e 0,03 g), temperatura de secagem do forno (105, 140, 150, 170, 175, 180, 200 e 250 C) e fluxo de gás de arraste nitrogênio (100, 150 e 200 ml/min). Uma vez que o método de secagem em estufa já está bem estabelecido, inicialmente foram testadas as diferentes massas de café mantendo constante a temperatura de 105 C, e fluxo de nitrogênio de 150 ml/min, este foi escolhido aleatoriamente. As amostras foram pesadas rapidamente em frascos de vidro incolor com septo de teflon com tampas de crimper e colocadas no forno do titulador Karl Fischer cuidadosamente a fim de evitar absorção de água pela amostra. As análises foram realizadas em quintuplicata. O branco, ou seja, a análise do frasco vazio, foi realizada em duplicata e utilizada a média para o cálculo. O cálculo do teor de umidade foi realizado de acordo com a equação 2: umidade= Onde, (2) ('KFC. EP. QTY' Branco ) Ma KFC.EP.QTY = Resultado fornecido pelo equipamento em ug de H 2 O consumida; Branco = Média dos resultados obtidos das análises do branco; Ma = Massa de café. Foram realizados três ensaios em dias diferentes com cinco replicatas cada (C1, C2, C3, C4, C5), utilizando o método de secagem em estufa e a titulação Karl Fischer Coulométrica combinada à secagem em forno, onde os métodos estudados foram comparados entre si em cada dia de ensaio, para que a variação do teor de umidade do café em dias diferentes não alterasse o resultado do estudo, uma vez que a finalidade é comparar os métodos e não a variação do teor de umidade. A ferramenta estatística utilizada para comparação dos métodos foi o teste de correlação de Pearson. A temperatura e umidade ambientes foram medidas por um termohigrômetro elétrico calibrado, número de série (Elzividros). Todas as análises foram realizadas utilizando balança analítica com cinco casas decimais modelo XP250 (Mettler Toledo). 11

6 Comparação da análise do teor de umidade no café torrado... Os resultados foram tratados em planilha do Microsoft Excel, onde foram submetidos ao teste de Grubbs para verificação de valor aberrante e a partir dessa análise foram calculados a média, o desvio padrão, o coeficiente de variação e a variância. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Através do ensaio preliminar de secagem em estufa verificou-se que 5 horas eram suficientes para se obter peso constante. A Figura 01 apresenta a variação do teor de água em função do tempo de secagem na estufa. Figura 01. Teor de água em função do tempo de secagem Como resultado do estudo de otimização das condições do Karl Fischer, para as diferentes massas de café em forno a 105 ºC, foi escolhida a massa de 0,05 g de café. Esta massa apresentou o menor desvio padrão entre as replicatas que as demais (cinco repetições), foi considerado também o formato da curva de titulação, que para esta massa possui o formato de linha contínua, apresentado na Figura 02, representando uma titulação típica, contínua até o momento em que toda água na amostra é consumida. Em seguida utilizando a massa fixa de 0,05 g escolhida e fluxo de nitrogênio constante (150 ml/ min) foram testadas diferentes temperaturas e os resultados foram comparados com os obtidos no método de secagem em estufa, sendo a temperatura de 180 ºC escolhida, uma vez que os resultados se apresentaram mais próximos aos resultados da estufa. Após a otimização da temperatura foi avaliado se o fluxo de nitrogênio exerceria influencia nos resultados obtidos. Foi observado pouca influência da alteração do fluxo de nitrogênio, assim o mesmo se manteve em 150 ml/min Desta forma as condições escolhidas foram: massa de 0,05 g, temperatura do forno de 180 C, fluxo de nitrogênio de 150 ml/min, nestas condições o tempo de análise para cada replicata foi de aproximadamente 7,5 minutos. Figura 02. Curva de titulação de teor de água avaliado em amostra de café torrado e moído por Titulação Karl Fischer Coulométrica. 12

7 CUNHA, C. P. da; et al. A Tabela 01 apresenta a temperatura e umidade ambientes que foram registradas em cada dia de ensaio. Tabela 01. Temperatura e umidade ambientes por dia de ensaio Os métodos utilizados não apresentaram valor aberrante segundo teste de Grubbs. Os resultados dos ensaios estão listados na Tabela 02. Tabela 02. Resultados do teor de água, média, desvio padrão, variância e coeficiente de variação obtidos pela titulação Karl Fischer Coulométrica e secagem em estufa nas amostras de café torrado e moído. Todos os resultados encontram-se na faixa de 4,5 a 4,7 % de teor de água. Avaliando cada ensaio separadamente foi observado que os resultados estavam próximos. Para confirmação foi realizada o teste de correlação de Person que confirmou que os métodos são correlacionados, ou seja, são equivalentes. A Figura 03 apresenta o gráfico de correlação, mostrado que os resultados apresentam correlação positiva. Figura 03. Gráfico de correlação entre o método Karl Fischer e secagem em estufa Observamos que o desvio padrão, a variância e o coeficiente de variação mostraram-se semelhantes para ambos os métodos, não havendo comprometimento da repetibilidade com a substituição do método de secagem em estufa pela titulação Karl Fischer Coulométrica combinada à secagem em forno. Observou-se que as análises do terceiro ensaio apresentaram teor de água maior que as demais. Isto ocorreu provavelmente devido a umidade relativa do ambiente estar dez por cento acima da observada nos ensaios anteriores (Tabela 01). Como cada ensaio foi realizado em dias diferentes, ou seja, em condições de reprodutibilidade, houve variação de temperatura e umidade ambientes, o que acarretou em variação na absorção de umidade pela amostra, por isso existe uma pequena diferença entre os resultados dos ensaios. Esta diferença é pequena e não compromete o resultado do estudo, já que a avaliação foi realizada por ensaio/dia. Todos os resultados obtidos encontram-se dentro do limite máximo de teor de água permitido de 5,0 %, estabelecido pela Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA) para o café torrado e moído. 13

8 Comparação da análise do teor de umidade no café torrado... O tempo de análise, em quintuplicata, do método de secagem em estufa foi de aproximadamente 300 minutos, este é cerca de dez vezes maior quando comparado à técnica de titulação Karl Fischer Coulométrica combinada à secagem em forno, cujo tempo de análise foi de aproximadamente 40 minutos. 4 CONCLUSÕES A titulação Karl Fischer Coulométrica combinada à secagem em forno mostrou-se equivalente ao método de secagem em estufa, já que os resultados e o teste de correlação de Pearson mostraram a correlação dos métodos. A viabilidade de sua utilização é intensificada quando comparado o tempo de análise de ambos os métodos, sendo a titulação Karl Fischer Coulométrica combinada à secagem em forno aproximadamente nove vezes mais rápida que o método de secagem em estufa tornandose mais viável sem comprometimento da repetibilidade. O custo da titulação Karl Fischer Coulométrica é superior à secagem em estufa, principalmente devido ao investimento inicial com a aquisição do equipamento. Contudo, este investimento pode ser compensado em médio prazo pelos laboratórios que utilizam este tipo de ensaio rotineiramente devido ao tempo de resposta (nove vezes menor que o método convencional), o que permite ao laboratório ampliar sua gama de atendimentos. 5 REFERÊNCIAS ABIC: Exportação. Disponível em: Acesso em: 19 jun ANVISA: Legislação. Disponível em: 99.htm Acesso em: 19 jun BRUTTEL, P.; SCHLINK, R. Monograph Water Determination by Karl Fischer Titration. Metrohm AG, ISENGARD, H. D.; FÄRBER, J. M. Hidden parameters of infrared drying for determining low water contents in instant powders. Talanta, v. 50, n. 2, p , ISENGARD, H-D.; Water content, one of the most important properties of food. Food Control, v. 12, n. 7, p ,

9 CUNHA, C. P. da; et al. MARTIN, S.K. Coffee and tea. In: William HORWITZ; George W. LATIMER, Jr. (Ed.) Official methods of analysis of the AOAC International. Gaithersburg: AOAC International, p MORGANO, A. M.; FARIA, C. G.; FERRÃO, M. F.; BRAGAGNOLO, N.; FERREIRA, M. M. C.; Determinação de umidade em café cru usando espectroscopia NIR e regressão multivariada. Ciência e Tecnologia de Alimentos, v. 28, n. 1, p , RÜCKOLD, S.; GROBECKER, K. H.; ISENGARD, H-D.; Fresenius Journal of Analytical Chemistry, v. 368, p , ZENEBON, O.; PASCUET, N.S.; TIGLEA, P. Métodos físico-químicos para análise de alimentos; São Paulo: Instituto Adolfo Lutz, Cap º edição digital, p FIGURAS Figura 01. Teor de água em função do tempo de secagem 15

10 Comparação da análise do teor de umidade no café torrado... Figura 02. Curva de titulação de teor de água avaliado em amostra de café torrado e moído por Titulação Karl Fischer Coulométrica. Figura 03. Gráfico de correlação entre o método Karl Fischer e secagem em estufa (vejam o que acham desde gráfico) 16

11 CUNHA, C. P. da; et al. 7 TABELAS Tabela 01. Temperatura e umidade ambientes por dia de ensaio* Ensaio/dia Umidade Temperatura (ºC) (%) 1 22,2 ± 0,3 47,0 ± 1,2 2 22,4 ± 0,3 47,0 ± 1,2 3 21,7 ± 0,3 56,0 ± 1,5 Tabela 02. Resultados de do teor de água nas amostras de café torrado e moído. Ensaio/dia Teor de umidade (%) C1 C2 C3 C4 C5 Média DP P CV Karl Fischer 4,5918 4,5922 4,5942 4,6054 4,6142 4,5999 0,0107 0,0001 0,2317 Estufa 4,5488 4,5722 4,5729 4,5846 4,6162 4,5766 0,0202 0,0004 0,4421 Karl Fischer 4,5400 4,5624 4,5661 4,5965 4,6009 4,5732 0,0254 0,0006 0,5553 Estufa 4,5511 4,5643 4,5758 4,5877 4,6291 4,5816 0,0298 0,0009 0,6509 Karl Fischer 4,6679 4,6753 4,6882 4,6914 4,7051 4,6856 0,0145 0,0002 0,3096 Estufa 4,6735 4,6792 4,6798 4,6926 4,6960 4,6842 0,0096 0,0001 0,2056 Desvio Padrão (DP); Variância (P); Coeficiente de Variação (CV). 17